除垢原理

隨著電子技術和計算機技術的迅猛發展,功率超聲的創新和開發應用已在工業處理的各個領域得到了越來越廣泛的應用。工業生產中，管道結垢普遍存在，它影響生產，浪費能源，已成為造成管道報廢的主要原因?；瘜W防除垢方法成本高，勞動強度大，污染比較嚴重。近年來為了提高除垢的效率人們正在不斷探索新的除垢方法，超聲波除垢正是在這種背景下發展起來的。

    超聲波除垢器是利用超聲波在傳播過程中的空化效應，剪切效應和抑制效應等物理特性，通過改變水的物理結構，達到防垢、除垢的效果。它具有節能、免拆卸、無污染、使用簡單?7??。目前的超聲波除垢已經得到了廣泛的認可，并已在石油、電力等工業領域得到應用，現正向人們息息相關的生活領域拓展，超聲波除垢已經為功率超聲的一項重要技術。

為了達到卓越的除垢效果，超聲波除垢設備需要具有輸出功率穩定，對負載的變化敏感等一些特點。本文從超聲波除垢的原理出發，研究了超聲波除垢設備的控制系統，利用脈寬調制、鎖相環和單片機及其接口技術，對超聲波的發生系統進行了設計，選擇了恰當的傳感器和換能器，設計了一套可以頻率自適應，功率自跟蹤的超聲波除垢設備，使超聲設備擁有了溫度的輸出功率和較高的工作效率。

   文中首先對超聲波除垢技術的基本原理和現階段的研究情況進行了簡單的介紹，分析了它的發展趨勢。在此基礎之上，對超聲波系統的結構進行了深入的研究，確定了系統中各個組成部分的設計參數，對整個系統的傳遞函數和可行性進行了分析，確定了設計方案，這里將超聲波除垢器分成控制部分和執行機構兩部分，控制部分主要是單片機及其外部擴展電路組成的單片機控制系統。在單片機系統中，使用了軟件數字濾波和硬件濾波電路相結合的方法來提高前向通道的采用精度，使用脈寬調制技術來實現功率放大和頻率轉換的功能。系統的執行元件是超聲波換能器，這里對壓電換能器的材料、原理和結構進行了分析，深入的研究了壓電陶瓷換能器的等效電路及其電特性，并對超聲波換能器進行了電學匹配設計。

論文還對電路板的焊接和??接和控制系統的調試過程中可能遇到的問題進行了研究，并且對超聲電源與換能器，換能器與鍋爐爐體之間的安裝進行了設計。在文章的最后對整個論文進行了總結，并提出了一些建議。

熱交換裝置管壁上堅硬沉積物（水垢）會大大降低交換器的參數，因而不得不進行清洗。傳統的清洗方法有機械清洗法和化學清洗法。不管使用機械法或者化學法，都必須使換熱裝置停止運行，部分拆開，并使用相當有害的化學藥劑如鹽酸進行清洗。熱交換裝置的數量很多，其中許多體積巨大，又缺乏足夠的優質的化學處理過的水（尤其是在那些遠離工業中心的地區），因而清洗熱交換器以及把使用過的清洗藥劑無害化處理的費用極其巨大。除此之外，用傳統方法清洗熱交換器水垢的工作既骯臟，又有害于工人的健康。

與水垢作斗爭的另一方法，是防止水垢形成。傳統的防水垢方法是對水進行化學處理，即用鈉陽離子交換法把水中的硬質鹽分離出去。為了保證交換床的工作，必須定期更換用于水處理的樹脂，并對排出物進行無害化處理。但是，即便花費了大量資金建起水處理設備，并使其運行，也不能產生百分之百的除垢效果，因為在水中通常還含有其他非離子交換床所能濾掉的物質，如鐵的化合物等?，F急需研制出一種無需停機而且效率要高的除垢手段。

超聲波除垢法相對于傳統方法，它的主要優勢在于不需使用任何藥劑，也就是說，不需要向水中加熱任何物質。超聲波除垢法的原理在于用超聲波振蕩使熱交換器的金屬結構及其中的水液產生振蕩，在這些振蕩的租用下，水中的硬度鹽開始結晶，并不會附著在以同樣超聲頻率振蕩的管壁上。管壁的振動一方面防止在水中尚未完全結晶的鹽沉積在管壁上面；另一方面，它有助于把剛形成的0.2mm以下的尚不堅硬的松脆水層震碎。震碎水垢層的機理如下：在管子產生的橫向振動的作用下，沉積在水管上面的水垢層也開始振動。經多次橫向振動的結果。水垢中出現了微小的裂痕。在超聲振動的作用下，水滲透到水垢層里面，因在毛細管中，對液體運動的阻力大大減小。當水進到熾熱的管壁里面，便開始膨脹甚至沸騰，從而產生氣泡，這些氣泡推動裂痕的邊緣，使水垢脫離管壁。隨后，在已清理的表面上，又開始生成新的水垢層，當水垢層達到前述的厚度時，超聲波又重新將其震碎，從而達到某種動力上的平衡。在這過程中，管壁的傳熱效率并沒有降低。因為振落并被水流帶走的水垢碎片，帶走它從管壁獲得的熱能，并在流走過程中，把熱能傳給水。

超聲波的作用不僅在于防水垢形成，保持熱功裝置的輸出參數，而且能提高輸出參數（熱效率）。這是因為管壁和水的振動能產生微細水流，而管壁振動又能降低液體阻力，加大水流流速，從而增大管表面的傳熱效果。通常，在使用超聲波的情況下，鍋爐中均含有空氣中的氧氣，這些氧氣儲藏在水管內表面細小損傷的微小縫隙中，超聲振動降低液體阻力的結果，使水流能容易地把氧氣從這些細小的縫隙中帶走，從而避免水管金屬被氧腐蝕。

 聲學除垢技術是利用污垢剛而脆的機械特性進行除垢的，對硬垢作用效果極為顯著。當聲學除垢裝置激發的超聲波振蕩沿著熱交換設備的金屬構件傳遞至管束上，便產生如下三方面效果：一，使管束上的積垢持續不斷地剝落；二，能減緩管束結垢的速度；三，傳遞到水介質中的超聲波使部分鹽在水中直徑結晶化，形成粥樣沉淀。垢層達到0.2mm以上時，其剛度便足以使之在超聲波作用下剝落，結垢與除垢形成某種動態平衡。所以，這是一項通過對積垢持續不斷的高效剝落來達到除垢效果的前所未有的高新技術。